详情

原文传递 CRTSⅢ型板式无砟轨道层间疲劳开裂分析模型及其应用研究

论文题名：	CRTSⅢ型板式无砟轨道层间疲劳开裂分析模型及其应用研究
关键词：	无砟轨道;高速铁路;疲劳内聚力模型;修正Paris定律;循环荷载
摘要：	无砟轨道是高速铁路的主要轨道结构型式，已在全国大范围内进行铺设和投入运营。随着运营时间的推移，无砟轨道结构出现了层间离缝等病害问题。现场运营实践表明，无砟轨道层间界面在外界荷载作用下的法向和切向受力较为复杂，其损伤的本质是随着荷载循环次数的增加层间界面不仅积累静态损伤，而且还积累疲劳损伤。现有研究大多关注无砟轨道层间界面的静态开裂过程，较少关注层间疲劳损伤的发生发展过程，同时也缺少合适的疲劳内聚本构关系来分析层间疲劳损伤。　　基于此，本文以CRTSⅢ型板式无砟轨道为例，提出了CRTSⅢ型板式无砟轨道层间混合模式疲劳开裂的内聚力本构关系，建立了轨道板与自密实混凝土层间疲劳损伤分析模型，揭示了无砟轨道在运营过程中外界循环荷载对层间疲劳损伤的发生与演化规律，为无砟轨道运营维护提供理论参考。本文主要开展的研究工作和成果如下：　　（1）CRTSⅢ型板式无砟轨道层间疲劳开裂分析模型研究　　研究提出了循环温度及循环列车动荷载的加载方式及参数取值。考虑将循环温度和列车动荷载等效为准静态方式进行加载来模拟循环次数，温度荷载取值基于实测温度数据，将列车动荷载等效为扣件支反力。　　提出了无砟轨道层间疲劳的内聚力本构方程关系。考虑Ⅰ+Ⅱ型混合模式断裂，基于双线性内聚本构关系，建立了Ⅰ+Ⅱ型混合模式断裂静态损伤因子关系式，同时引入修正Paris定律，建立了疲劳损伤因子作为循环次数的函数，将静态损伤因子和疲劳损伤因子相加作为整体损伤因子对材料刚度折减进行考虑。通过UMAT子程序二次开发将本构方程嵌入至ABAQUS有限元，利用单腿弯曲试验验证了程序编写的正确性和合理性。　　基于ABAQUS有限元软件和UMAT子程序建立了无砟轨道层间疲劳损伤分析模型。同时与既有文献对比验证了模型的正确性。　　（2）CRTSⅢ型板式无砟轨道层间疲劳损伤演化机制研究　　基于无砟轨道层间疲劳内聚力模型，考虑两种层间粘结状态：层间粘结状态良好和层间开裂，揭示了两种工况下轨道板-自密实混凝土层间界面在温度、列车等高周循环荷载作用下的损伤演化机制。循环荷载加载情况下，整体损伤因子值在板边位置处均较大，在板中位置处较小。层间粘结状态良好时相较于仅考虑温度梯度荷载循环荷载作用，温度与列车荷载循环耦合作用会对疲劳寿命产生显著影响。层间开裂时温度与列车荷载循环耦合作用较仅考虑温度梯度的裂纹扩展速率大。　　（3）CRTSⅢ型板式无砟轨道层间疲劳损伤荷载影响规律研究　　利用所建立的无砟轨道层间疲劳内聚力模型，探究了层间粘结状态良好和层间开裂工况下不同温度幅值及不同列车时速在长期循环荷载作用下轨道板-自密实混凝土界面的损伤扩展规律。　　不同温度幅值方面：在层间粘结良好的情况下，整体损伤因子值随着温度梯度幅值的增大而增大，但是三种不同工况下的差值较小；在预设裂纹的情况下，温度幅值越大，疲劳寿命越短。裂纹扩展速率随着温度梯度幅值增加而增加。　　温度梯度与不同列车行驶速度耦合方面：在层间粘结良好的情况下，整体损伤因子值随着列车行驶速度的增加而增大。在预设裂纹的情况下，列车速度越高，疲劳寿命越短，整体损伤因子越大。裂纹扩展速率随着列车行驶速度的增加而增加。　　（4）CRTSⅢ型板式无砟轨道结构参数影响规律研究　　基于无砟轨道界面疲劳内聚力模型，考虑层间粘结状态良好和层间开裂两种不同的工况，研究了粘结强度因素对无砟轨道层间疲劳力学性能的影响规律，整体损伤因子随着法向和切向粘结强度的降低而增加，疲劳寿命随着法向和切向粘结强度的降低而降低；研究了不同轨道板和自密实混凝土尺寸参数对无砟轨道层间疲劳力学性能的影响规律，整体损伤因子随着轨道板板宽和板长的降低而增加，不同板宽和不同板长对裂纹扩展速率的影响均较小。同时根据疲劳寿命及裂纹扩展速率提出了法向粘结强度和切向粘结强度的建议值，建议仍按照法向粘结强度1.4MPa，切向粘结强度1.8MPa。
作者：	康曼
专业：	道路与铁道工程
导师：	蔡小培;钟阳龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2023